Ved hjelp av Digital Image Correlation å karakter Lokale Stammer på vaskulær vevsprøver
Summary
We describe the use of digital image correlation to characterize the local surface strain field on vascular tissue samples subjected to uniaxial tensile testing. These measurements facilitate precise quantification of the sample mechanical response and the generation of constitutive stress-strain relations.
Abstract
Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and product development. Stress-strain relationships are typically obtained from mechanical testing data to enable comparative assessment among samples and in some cases identification of constitutive mechanical properties. However, errors may be introduced through the use of average strain measures, as significant heterogeneity in the strain field may result from geometrical non-uniformity of the sample and stress concentrations induced by mounting/gripping of soft tissues within the test system. When strain field heterogeneity is significant, accurate assessment of the sample mechanical response requires measurement of local strains. This study demonstrates a novel biomechanical testing protocol for calculating local surface strains using a mechanical testing device coupled with a high resolution camera and a digital image correlation technique. A series of sample surface images are acquired and then analyzed to quantify the local surface strain of a vascular tissue specimen subjected to ramped uniaxial loading. This approach can improve accuracy in experimental vascular biomechanics and has potential for broader use among other native soft tissues, engineered soft tissues, and soft hydrogel/polymeric materials. In the video, we demonstrate how to set up the system components and perform a complete experiment on native vascular tissue.
Introduction
En rik historie med forskning som strekker seg over 50 år har vært fokusert på å kvantifisere de mekaniske egenskapene til vaskulære vev. Disse studiene tillate oss å bedre forstå både fysiologisk og patologisk atferd av blodkar, gir grunnlag for å vurdere effekten / kompatibilitet endovaskulære enheter, og bistand i design og fabrikasjon av konstruert vaskulære konstruerer 1-6. Nøyaktig måling av den mekaniske responsen av mykt vev og konstitutiv modellering av deres mekaniske egenskaper er i seg selv utfordrende på grunn av den mekaniske heterogenitet, anisotropi, linearitet og som utvises av de fleste vevstyper. Videre er eksperimentelle målinger ofte forekom ved lokale komplekse innført på sample-grep grensesnitt i løpet av mekanisk testing (dvs. bøyning, gnidning, spenningskonsentrasjoner, rive) og den uunngåelige overgangen av mekaniske egenskaper når vev er skåret ut fra levende dyr. </ p>
En uniaxial strekk eksperimentet er blant de enkleste mekaniske tester som kan utføres på et eksemplar laget av et solid materiale, og er ofte brukt til å vurdere den mekaniske responsen av vaskulær vev. Resultatene fra disse forsøkene gir nyttig foreløpig informasjon for både naturlige og modifiserte vevskilder, og kan brukes for å sammenligne effektene av visse behandlinger, sykdomstilstander eller farmakologiske forbindelser på den mekaniske oppførselen til karveggen 7-11.
Uniaxial mekanisk testing av mykt vev er vanligvis utføres på prøver med relativt ensartede geometrier, som er mest vanlig hunde bein eller ring formet 7,8,12-14. Imidlertid kan betydelig avvik fra disse idealiserte geometrier oppstå på grunn av utfordringer knyttet til vev disseksjon, isolasjon og klem innenfor testing system. Enhver ujevnhet i geometri til slutt vil gi opphav til heterogene belastningerfelt ved prøven blir utsatt for enakset forlengelse, med graden av heterogenitet avhengig av selve prøven form, samt prøvestørrelsen (i forhold til grepene), og de mekaniske egenskapene til materialet 9,15,16. Når felt heterogeniteter er betydelige, sample belastningsskader beregninger basert på de relative greps er unøyaktige og dermed et utilstrekkelig grunnlag for å vurdere mekaniske oppførsel.
Videoanalysesystemer har vært mye brukt for belastningsskader målinger av mykt vev, ofte ved hjelp av høy kontrast fargestoff markører brukes på prøveoverflaten 17,18. Digital bildekorrelasjon, en optisk metrologisk teknikk som måler full felt-stamme overflate ved å sammenligne grått nivå intensitetsverdier på prøveoverflaten før og etter deformasjon, har vært brukt i forbindelse med videoanalyse av myke vev 19-21. Det er flere fordeler ved digital bildekorrelasjon i forhold til interferometric metoder som kan benyttes for målinger. Først, som en ikke-kontakt med måleteknikken, reduserer den den forvekslings effekten av å endre materialegenskapene på grunn av måten på hvilken målesystemet påvirker prøven. For det andre krever den et mye mindre strenge måle miljø og har et bredere spekter av følsomhet og oppløsning enn andre metoder. Tredje, utrustet med evnen til å fange en full synsfelt, kan denne teknikken kjennetegner både gjennomsnittet og de lokale mekanisk respons. For detaljert forklaring av metoden, er leserne oppfordres til å se boken ved Sutton 22.
For å oppnå belastningsfelt på prøveoverflaten, kan en todimensjonal digital bildekorrelasjonsteknikk (2D-DIC) benyttes. Kort sagt, er bilder av prøven tatt på ubelastede og ulike lastet stater. Det første bildet er delt opp i små firkanter kalt undergrupper (M x M piksler) som danner en maske for påfølgende beregning av2D belastningsskader felt. Posisjonen av hver rute i de deformerte prøven blir oppnådd ved hjelp av en bildetilpasningsalgoritme. Bevegelsen av hver kvadrat blir deretter spores, bilde-for-bilde, hvilket ga fortrengnings felter som deretter kan brukes til å utlede deformasjon gradienter og deformasjoner ved hjelp av en rekke metoder, inkludert polynom tilpasning eller endelig element interpolasjon. I den foreliggende manus, gir vi en detaljert metodikk for vurdering av overflate belastningsskader feltene på innfødte vaskulære vev via integrering av uniaxial strekkprøving og 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om tidligere studier har brukt et bredt spekter av dye-sporing video metoder for å vurdere prøven belastning 18,20,21,23,24, er vår nåværende mål å gi en helhetlig metodikk for å par uniaxial strekktesting med 2D-DIC for vurdering av overflate stammer på vaskulære vevsprøver. Med et kamera med høy oppløsning og in-house bildeanalyse programvare, kan belastningen feltet måles innenfor et forhåndsbestemt overflateområde som prøven gjennomgår uniaksial lasting. Av særlig relevans for meka…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Programvare og teknisk support var høflighet av korrelerte Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).
Materials
| Uniaxial tensile mechanical tester | Enduratec | 3230 AT/HR | |
| Blue tissue marking dye | http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696 | ||
| Sprayer | Anest-iwata | CM-B | Custom Micron B |
| Camera | Point Grey | GS2-GE-50S5M-C | |
| Lens | Tokina | AT-X M100 | |
| Vascular tissue | Caughman Inc | ||
| 0.9% Sodium Chloride Injection PBS | BAXTER HEALTHCARE CORP. | ||
| Vic_snap | Correlated Solutions | ||
| Vic_2D | Correlated Solutions | ||
| Wintest 4.1 | Bose ElectroForce | ||
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
References
- Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
- Vito, R. P., Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
- Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).
- Chuong, C. J., Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
- Borschel, G. H., et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
- Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
- Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
- Tanaka, T. T., Fung, Y. C. Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree. J Biomech. 7, 357-370 (1974).
- Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
- Twal, W., et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).
- Shazly, T., et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech. , 1-11 (2014).
- Kim, J., Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
- Li, L., et al. Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).
- Li, L., et al. Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).
- Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas. J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).
- Guo, X., Kassab, G. S. Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).
- Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
- Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).
- Ning, J., et al. Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model. J Biomech Eng. 132, 121010 (2010).
- Sutton, M. A., et al. Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation. J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. . Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , (2009).
- Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures. J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).
- Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation. Exp Mech. 47, 427-438 (2007).
- Garcia, A., et al. Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials. Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).
- Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension?. J Biomech. 34, 651-657 (2001).
- Sutton, M. A. . Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (2008).
- Han, H. C., Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
- Sokolis, D. P. A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data. Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).
- Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery. J Mech Med Biol. , (2013).
- Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery. J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).
- Sommer, G., Holzapfel, G. A. 3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).
